第00章 绪论数字信号处理[刘兴钊][电子教案]

1、1CHAPTER 1 INTRODUCTION1. 什么是数字信号什么是数字信号2.什么是数字信号处理什么是数字信号处理1.3. Realization of digital signal processing1.4.Character of digital signal processing1.5.Application of digital signal processing1.6.Three parts of this course21.1 什么是数字信号什么是数字信号信息是客观世界中各种事物的状态和特征的反映，是消息中包含的有意义的内容。信息是客观世界中各种事物的状态和特征的反映，是消

2、息中包含的有意义的内容。我们把信息的载体和表现形式称为信号。我们把信息的载体和表现形式称为信号。 表示成V(t), x(t), or f(x,y).信号的分类信号的分类:电信号、磁信号、声音信号、光信号、机械信号和热信号等；电信号、磁信号、声音信号、光信号、机械信号和热信号等；一维、二维和多维信号；一维、二维和多维信号；周期信号和非周期信号；周期信号和非周期信号；确定信号和随机信号确定信号和随机信号; 根据表示信号的函数的形式，即自变量和函数（信号幅值）的取值是连续数值还是离散数值分成连续时间信号、离散时间信号、模拟信号和数字信号。自变量和幅值均连续的信号称为模拟信号；模拟信号；自变量和幅度均

3、离散的信号称为数字信号；数字信号；自变量连续而幅值连续或离散的信号统称为连续时间信号；连续时间信号；自变量离散而幅值连续或离散的信号统称为离散时间信号离散时间信号。3连续型数值连续型数值离散型数值离散型数值4x(t)xn自变量不一定是时间自变量不一定是时间5自然界产生的信号一般都是模拟信号，数字信号由数字设备直接产生或从模拟信号转换得到，称为模数转换（模数转换（AD：Analog to Digital）。在某些情况下，还需要将数字信号转换成模拟信号，称为数模转换（数模转换（DA：Digital to Analog）。 6（4）CD光盘光盘：数字和模拟声音信号举例数字和模拟声音信号举例数字记录数

4、字记录声带等震动声带等震动麦克风的电压变化麦克风的电压变化模拟记录模拟记录（1）磁带：）磁带：（2）乙烯树脂唱片：）乙烯树脂唱片：（3）磁盘：）磁盘：用磁性强弱记录用磁性强弱记录用密布的波状沟纹记录用密布的波状沟纹记录用微粒被吸引至两个方向之一记录用微粒被吸引至两个方向之一记录0和和1用铝层表面的凹凸不平记录用铝层表面的凹凸不平记录0和和1串串模拟信号模拟信号数字信号数字信号气压变化和传播气压变化和传播72 What is digital signal processingContinuous-time systems are systems for which both input and

5、output are continuous-time signals.Discrete-time systems are those for which both input and output are discrete-time signals.Digital systems are those for which both input and output are digital signals.Digital signal processing deals with the transformation of signals that are discrete in both ampl

6、itude and time. Its essential is operation of adding, multiplying, and delaying.8 R C x(t) y(t) 1naynxnysignal flow graph of a discrete-time low pass filter (a0)Difference equation isHardware of a continuous-time low pass filter xn yn a 延时 905 / 105 / 15 / 15 / 105 / 102 / 12 / 12 / 12 / 152 / 12 /

7、12 / 12 / 12D low pass filter2D high pass filter10原始图像原始图像 低通滤波后低通滤波后 高通滤波后高通滤波后 9*9的摸板的摸板113. hardware and software1.3 implementation of digital signal processing1. software2. hardwareflexible; slowlyFast, small; no flexibilityfast，flexibleSCM (Single Chip Microcomputer )FPGAprogrammable DSP chip（d

8、igital signal processor）12采用改进的采用改进的哈佛总线结构哈佛总线结构；有有硬件乘法器硬件乘法器；使用流水线结构；使用流水线结构；有片内内存；有片内内存；有一套专为数字信号处理设计的寻址方式和指令系统；有一套专为数字信号处理设计的寻址方式和指令系统；多芯片并行运行。多芯片并行运行。Character of digital signal processor13CPU存储器存储器（数据和指令）（数据和指令）数据总线数据总线地址总线地址总线冯冯诺依曼结构诺依曼结构CPU程序存储器程序存储器（或（或CACHE）数据数据存储器存储器数据总线数据总线数据总线数据总线地址总线地址总

9、线地址总线地址总线哈佛结构（改进型）哈佛结构（改进型）14TITI： 定点定点TMS320C1X,TMS320C2X/C2XX,TMS320C5X/C54X,TMS320C1X,TMS320C2X/C2XX,TMS320C5X/C54X, TMS320C62XX TMS320C62XX 浮点浮点TMS320C3X/C4X/C8X/C67XXTMS320C3X/C4X/C8X/C67XX。 ADI: ADI: 定点定点ADSP21XXADSP21XX；浮点；浮点ADSP21XXXADSP21XXXAT&T:AT&T:定点定点DSP16,DSP16A,DSP16C,DSP1610,DSP1616D

10、SP16,DSP16A,DSP16C,DSP1610,DSP1616； 浮点浮点DSP32,DSP32C,DSO3210DSP32,DSP32C,DSO3210 MOTOROLA:MOTOROLA:定点定点MC56000,MC56001,MC56002;MC56000,MC56001,MC56002;浮点浮点MC96002;MC96002;专用：专用：MC56200,MC56156MC56200,MC56156Example of programmable DSP chip15浮点与定点芯片的主要优劣比较浮点与定点芯片的主要优劣比较类类型型动态动态范围范围精精度度字长字长程序开程序开发周期发周

11、期功功耗耗速速度度价价格格浮浮点点大大高高32位（可扩至位（可扩至40）短短高高慢慢高高定定点点小小低低16位位长长低低快快低低16 AD1848 ADSP2181 PC DISK Example of hardware and software realization17系统必须在有限的时间内对外部的输入信号完成指定的处理，系统必须在有限的时间内对外部的输入信号完成指定的处理，即信号处理的速度必须大于或等于信号更新的速度；从信号即信号处理的速度必须大于或等于信号更新的速度；从信号输入到处理后信号输出的延迟必须足够小。输入到处理后信号输出的延迟必须足够小。Real-time implement

12、ation算法复杂度算法复杂度实时性取决于实时性取决于数据量（采样率）数据量（采样率）设备的处理速度设备的处理速度 缓冲大小缓冲大小 采样程序处理程序 DISK BUFFER1 BUFFER2 模拟信号 数字信号 18例如：音频信号的采样及压缩（例如：音频信号的采样及压缩（DSP或或CPU执行程序）执行程序） 分配乒乓（双）缓冲或循环（多）缓冲，每个缓冲大小分配乒乓（双）缓冲或循环（多）缓冲，每个缓冲大小 为一帧。采样程序（中断程序）采样数据并放在乒缓冲内，压为一帧。采样程序（中断程序）采样数据并放在乒缓冲内，压 缩程序压缩乓缓冲内的数据。缩程序压缩乓缓冲内的数据。如果乒缓冲被放满前，乓缓冲的

13、数据已被压缩完并存入如果乒缓冲被放满前，乓缓冲的数据已被压缩完并存入 硬盘，则压缩程序等待乒缓冲放满，然后压缩乒缓冲的数硬盘，则压缩程序等待乒缓冲放满，然后压缩乒缓冲的数 据，采样程序继续采样并将数据放入乓缓冲。这就是实时处据，采样程序继续采样并将数据放入乓缓冲。这就是实时处 理。如果处理速度低于采样速度，则当乒缓冲被放满时，乓理。如果处理速度低于采样速度，则当乒缓冲被放满时，乓 缓冲的数据还未被压缩完，采样程序就要等待压缩程序，即缓冲的数据还未被压缩完，采样程序就要等待压缩程序，即 采样的数据丢掉不存，这就是采样的数据丢掉不存，这就是不能达到实时处理。不能达到实时处理。 设采样率设采样率48

14、KHz，帧长为，帧长为 1152个采样点。则采样一帧的个采样点。则采样一帧的 时间为时间为1152/48k=24ms，所以压缩一帧的时间须小于，所以压缩一帧的时间须小于24ms 延时延时=采样时间采样时间+处理时间。处理时间。又如：音频信号的解压及回放又如：音频信号的解压及回放 解压后的数据帧和正在回放的数据帧分别放在乒乓缓冲中解压后的数据帧和正在回放的数据帧分别放在乒乓缓冲中 。解压程序速度必须高于回放速度。解压程序速度必须高于回放速度。 191.4 Character of digital signal processing(3)higher reliability(1)higher pr

15、ecision(2) higher flexibility(6)more process abilities：lossless compression, linear phase, Error Correction Encoding , regenerative repeater（中继再生）（中继再生） (4)cheaper(5)predictability20数字基带信号和数字基带信号和2FSK调制信号调制信号 21DTVDTV ATV ATV信源编码信源编码MPEG2MPEG2 PAL/NTSC/SECAM PAL/NTSC/SECAM传输与接收传输与接收数字数字 模拟模拟主观质量主观质量

16、接近演播室接近演播室 无法达到无法达到SDTVSDTV效果效果只与压缩有关只与压缩有关 受环境影响受环境影响先进的传输技术（信道编码、先进的传输技术（信道编码、调制、再生）去除环境影响调制、再生）去除环境影响（例如多径干扰）（例如多径干扰）资源资源 节省功率（只节省功率（只10%10%）和频带）和频带 有禁用频道，临近频道有禁用频道，临近频道一个模拟频道传一个模拟频道传4 4路路SDTV SDTV 不能用，不能用，2 2个频道传个频道传1 1 （或（或1 1路路HDTV)HDTV) 路节目路节目 功能功能 环绕声；环绕声； 单声道单声道/ /立体声；立体声； 可传数据（可传数据（菜单等文字信菜

17、单等文字信 只能在消隐期传少量数只能在消隐期传少量数 息）；观众可自由选择节目息）；观众可自由选择节目 据；据； 的视频点播（的视频点播（VODVOD）；可移）；可移 不能移动不能移动 动转播动转播举例数字电视的优势举例数字电视的优势22(1)数据量大，压缩很关键数据量大，压缩很关键而而MP3MP3仅为仅为128kbps=16k128kbps=16k字节字节/S/S，压缩比，压缩比1212：1 1，双声道需存储空间双声道需存储空间1M/1M/分钟分钟假设用假设用48kHz48kHz、16bit16bit来进行立体声采样来进行立体声采样比特率为：比特率为：4800048000* *1616* *

18、2/8=192K2/8=192K字节字节/S/S一个汉字在电脑里占用两个字节，一个汉字在电脑里占用两个字节，192K192K字节可以字节可以存储存储9.69.6万个汉字（一部中篇小说）。万个汉字（一部中篇小说）。未压缩的视频信号数据量未压缩的视频信号数据量640640* *480480* *2424帧帧/ /秒秒=27Mbyte/s=27Mbyte/s(2)版权、认证版权、认证数字化产生的问题数字化产生的问题23在安静的环境下，某一频率的声音刚好能被听见在安静的环境下，某一频率的声音刚好能被听见的强度，体现出人耳对不同频率的敏感程度不同。的强度，体现出人耳对不同频率的敏感程度不同。有损音频压缩

19、原理简介有损音频压缩原理简介音频压缩分：无损压缩和有损压缩音频压缩分：无损压缩和有损压缩有损音频压缩技术除了去除音频信号的客观冗余以外，还利用有损音频压缩技术除了去除音频信号的客观冗余以外，还利用了人耳的听觉特性去除信号的主观冗余，以达到提高压缩比的了人耳的听觉特性去除信号的主观冗余，以达到提高压缩比的目的。目的。24频率掩蔽现象：某一频率的声音的存在，使其邻频率掩蔽现象：某一频率的声音的存在，使其邻近频率的声音必须远高于静态掩蔽值才能被听到。近频率的声音必须远高于静态掩蔽值才能被听到。前者称掩蔽音前者称掩蔽音(masking tone) ，后者称被掩蔽音，后者称被掩蔽音(masked ton

20、e) 。25时间掩蔽现象：当某一较强的声音（掩蔽音）停止时间掩蔽现象：当某一较强的声音（掩蔽音）停止后，与其邻近频率的另一较弱的声音（被掩蔽音）后，与其邻近频率的另一较弱的声音（被掩蔽音）要过一段时间才能被听见。时间掩蔽曲线表示掩蔽要过一段时间才能被听见。时间掩蔽曲线表示掩蔽音停止后过一段时间，被掩蔽音能被听见的强度阈音停止后过一段时间，被掩蔽音能被听见的强度阈值。值。26压缩的基本途径：压缩的基本途径：心理声学模型得到信号的频域掩蔽曲线，心理声学模型得到信号的频域掩蔽曲线，若某频率处信号的强度低于该频率处的掩蔽阈值，则不能被若某频率处信号的强度低于该频率处的掩蔽阈值，则不能被人耳感受，可以去除；另外对于不能去除的频率成分，对其人耳感受，可以去除；另外对于不能去除的频率成分，对其进行进行量化量化以减少编码比特，其中选择量化阶的依据就是使量以减少编码比特，其中选择量化阶的依据就是使量化噪声低于掩蔽阈值，使人耳感觉不到，另外化噪声低于掩蔽阈值，使人耳感觉不到，另外huffman等熵编等熵编码（无损）也能进一步提高压缩比。码（无损）